一脈沖沖擊波有效作用距離影響因素模擬分析

隋義勇, 張永民, 李加強(qiáng), 曲永春, 任桂山

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西西安 710049;3.大慶油田創(chuàng)業(yè)集團(tuán)薩南實(shí)業(yè)公司,黑龍江大慶 163414; 4.大慶油田公司測試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶 163453;5.大港油田采油工藝研究院,天津 300280)

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一脈沖沖擊波有效作用距離影響因素模擬分析

隋義勇1, 張永民2, 李加強(qiáng)3, 曲永春4, 任桂山5

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西西安 710049;3.大慶油田創(chuàng)業(yè)集團(tuán)薩南實(shí)業(yè)公司,黑龍江大慶 163414; 4.大慶油田公司測試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶 163453;5.大港油田采油工藝研究院,天津 300280)

利用數(shù)值模擬方法,分析儲能、作業(yè)次數(shù)、彈性模量、地應(yīng)力對重復(fù)脈沖沖擊波有效作用效果的影響。結(jié)果表明:低儲能時無法致裂儲層,以解堵為主,高儲能時可以使儲層產(chǎn)生微裂縫提高滲透率;隨著作業(yè)次數(shù)的增加,沖擊波有效作用距離不斷增加至最大值,此后再增加作業(yè)次數(shù),有效作用距離基本不變;地應(yīng)力對有效作用距離影響比較明顯,隨著地應(yīng)力的增加,有效作用距離呈對數(shù)規(guī)律減小;在地應(yīng)力較小、彈性模量較大時,隨著作業(yè)次數(shù)增加有效作用距離增大,但試驗(yàn)表明作業(yè)次數(shù)增加會使儲層軟化,減小彈性模量,降低沖擊波作業(yè)效果;當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時,彈性模量和作業(yè)次數(shù)對有效作用距離基本無影響,因此重復(fù)強(qiáng)沖擊波對彈性模量大、地應(yīng)力小的儲層解堵、增產(chǎn)、增注效果較好,且存在一個合理的沖擊波作業(yè)次數(shù)。實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)儲層參數(shù)選井，優(yōu)化沖擊波作業(yè)參數(shù)。

脈沖沖擊波; 巖石應(yīng)力; 有效作用距離; 解堵; 數(shù)值模擬

脈沖沖擊波技術(shù)是利用電脈沖裝置中儲存的有限能量以沖擊波形式作用到儲層有限可控區(qū)域,在作用區(qū)域形成極端的物理環(huán)境實(shí)現(xiàn)對儲層有效作業(yè)的一種物理方法。重復(fù)脈沖法相比壓裂、爆燃等一次性的大型措施,雖然能量小、有效作用距離有限,但具有無污染、工藝簡單、成本低的特點(diǎn),已在國內(nèi)多個油田應(yīng)用,并取得了較好的效果[1-7]。該技術(shù)的研究目前主要側(cè)重于設(shè)備研發(fā)[6-10]、機(jī)制研究[10-18]和效果評價[1-7,13],仍停留在定性解釋的水平,為了分析該技術(shù)的的適應(yīng)性以及定量解釋各影響因素對作業(yè)效果的影響程度,筆者模擬不同儲能、不同等效地應(yīng)力、不同作業(yè)次數(shù)、不同地層彈性模量對砂巖層破裂半徑、破裂面積及最大聲強(qiáng)范圍的影響,為該技術(shù)的選井選層以及優(yōu)化作業(yè)參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波作用機(jī)制

一方面,當(dāng)沖擊波的幅值大于儲層巖石的抗壓強(qiáng)度時，沖擊波可擊碎巖石,甚至產(chǎn)生破碎區(qū)[15-17];沖擊波衰減形成的壓縮應(yīng)力波幅值大于儲層巖石的抗張和抗剪強(qiáng)度,并持續(xù)一定時間,會使巖心內(nèi)部產(chǎn)生一定量的微裂縫或貫通原有無效孔隙,從而實(shí)現(xiàn)孔隙度和滲透率的提高。另一方面，沖擊波在含有飽和油、氣、水的儲層中傳播時,在不同介質(zhì)界面上產(chǎn)生剪切力,剝離附著在儲層滲流通道壁上的有機(jī)和無機(jī)堵塞物,起到解堵作用[19-22]。

2 數(shù)值模型的建立

數(shù)值模型長、寬均為50 m,在模型正中設(shè)置井筒,套管外徑139 mm,套管壁厚6.35 mm,套管密度7.8 g/cm3,管體抗拉強(qiáng)度818 kN,彈性模量210 GPa,泊松比0.3;水泥環(huán)厚45 mm,密度2.0 g/cm3,彈性模量38 GPa,泊松比0.22;砂巖力學(xué)參數(shù)概化后進(jìn)行計(jì)算,密度2.5 g/cm3,泊松比0.26,黏聚力35 MPa,抗拉強(qiáng)度10 MPa,內(nèi)摩擦角40°。由于砂巖的非連續(xù)、非均質(zhì)特性導(dǎo)致無法只用幾個確定的強(qiáng)度參數(shù)表征整個巖體,因此將上述巖石力學(xué)參數(shù)作為砂巖強(qiáng)度的期望值,并將強(qiáng)度的隨機(jī)特征引入數(shù)值模型中。引入隨機(jī)特征后,數(shù)值模型中每個單元的強(qiáng)度各不相同。其中黏聚力隨機(jī)為0～70 MPa,抗拉強(qiáng)度隨機(jī)為0～20 MPa,內(nèi)摩擦角隨機(jī)為10°～57°。

單次脈沖載荷采用三角波載荷代替,載荷幅值為100 MPa,持續(xù)時間0.3 ms,頻率為0.017 Hz,如圖1所示。

圖1 脈沖載荷

脈沖施加過程中,脈沖波向井筒四周擴(kuò)散,對周圍的巖體產(chǎn)生一定的擠壓作用,導(dǎo)致非均質(zhì)的砂巖體出現(xiàn)剪切或拉伸破壞。數(shù)值模擬計(jì)算中,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則及最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則分析電脈沖裝置的儲能、作業(yè)次數(shù)、彈性模量和地應(yīng)力對有效作用距離的影響程度。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 儲能及作業(yè)次數(shù)對有效作用距離的影響

模擬分析30 MPa等效地應(yīng)力和5 GPa彈性模量的儲層中,4.5 kJ儲能條件下不同作業(yè)次數(shù)下的作業(yè)效果。由于4.5 kJ儲能較小,隨著時間的增加,速度波逐漸向外傳播,但幅值逐漸減小,砂巖層并沒有出現(xiàn)破裂,即使作業(yè)300次,砂巖層依然處于彈性狀態(tài)。儲能提高到30 kJ,不同作業(yè)次數(shù)下井筒附近的砂巖層均出現(xiàn)了網(wǎng)狀裂縫,且破裂范圍隨著作業(yè)次數(shù)的增加略有增加,如圖2所示。

不同儲能條件下作業(yè)次數(shù)對作用距離影響如圖3所示。儲能4.5 kJ作業(yè)時,應(yīng)力波引起的應(yīng)力狀態(tài)不足以使巖石受到破壞,但彈性波在巖層中不同密度的介質(zhì)中傳播時,由于介質(zhì)間的波阻抗差異將在介質(zhì)界面上產(chǎn)生剪切力,這種剪切力不足以破壞巖石,但對巖石孔隙、裂隙、孔喉中的雜質(zhì)和異物有清潔作用,能夠促進(jìn)液相滲流,對儲層起到解堵的作用,模擬條件下100次作業(yè)時達(dá)到最大解堵半徑。

30 kJ儲能作業(yè)時,在徑向上距井筒不同距離處,沖擊波的性質(zhì)、形狀和對儲層作用性質(zhì)不同。隨著與井筒距離增加,其在與儲層巖石的作用中強(qiáng)度不斷衰減。沖擊波透過套管進(jìn)入儲層后,在近井地帶,沖擊波的峰值超過儲層的抗壓強(qiáng)度后使儲層巖石產(chǎn)生塑性變形,消耗大部分能量,產(chǎn)生破碎區(qū)。在與儲層巖石劇烈作用后,沖擊波衰減為不再具有陡峭峰值的壓縮應(yīng)力波,波速也接近巖石中的聲速,在壓縮應(yīng)力波作用下,儲層巖石處于非彈性狀態(tài),可導(dǎo)致儲層巖石破壞或殘余變形巖石發(fā)生破裂,因而在作業(yè)次數(shù)較低時,隨著作業(yè)次數(shù)的增加,有效作用半徑不斷增大,模擬條件下當(dāng)作業(yè)次數(shù)達(dá)到15次時作用半徑達(dá)到最大,作業(yè)效果以增產(chǎn)增注為主。隨著傳播距離的增加,沖擊波進(jìn)一步衰減,所以即使作業(yè)次數(shù)繼續(xù)增加,有效作用半徑增大趨勢亦逐漸變緩。

圖2 30 kJ儲能不同作業(yè)次數(shù)下破裂狀態(tài)

兩種儲能條件下,作業(yè)次數(shù)與有效作用半徑的關(guān)系為

R4.5=5×10-8n3-0.000 1n2+0.028 3n+5.982 6,

R30=-5×10-5n4-0.003 7n3-0.109 4n2+1.526 8n+8.597 9.

式中,R4.5為4.5 kJ儲能時有效作用半徑,m;R30為30 kJ儲能時有效作用半徑,m;n為作業(yè)次數(shù)。

3.2 地應(yīng)力對有效作用距離的影響

地應(yīng)力不僅反映儲層的深度,也是影響致裂效果的敏感因素。為了分析不同儲能不同深度儲層中(即不同地應(yīng)力)的作用效果,取不同等效地應(yīng)力進(jìn)行模擬分析,作業(yè)次數(shù)均取50次,其他參數(shù)不變。作業(yè)50次后,有效作用距離隨著地應(yīng)力的變化如圖4所示。隨著地應(yīng)力增加有效作用距離快速下降,當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時,作業(yè)次數(shù)對有效作用距離影響很小。

有效作用半徑與作業(yè)次數(shù)和地應(yīng)力之間的關(guān)系為

R=45.522 8e0.005 7n-0.187 3lnp-45.608.

式中,R為有效作用半徑,m;p為地應(yīng)力,MPa。

圖4 地應(yīng)力與有效作用距離關(guān)系

3.3 彈性模量對有效作用距離的影響

考慮到聲強(qiáng)場是一個彈性場,只跟彈性模量、泊松比、密度有關(guān),跟地應(yīng)力無關(guān)。實(shí)際計(jì)算時不考慮地應(yīng)力進(jìn)行最大聲強(qiáng)場分析。1、30、50次作業(yè)下,彈性模量分別為2.3和23 GPa下,以最大聲強(qiáng)場超過1 kW/m2的區(qū)域?yàn)橛行ё饔脜^(qū)域,不同彈性模量下巖石破裂半徑及破裂面積與地應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示。由圖5可得,隨著作業(yè)次數(shù)的增加,有效作用范圍逐漸增大,但增大趨勢逐漸變緩;隨著彈性模量的增加,有效作用范圍迅速增大;相比作業(yè)次數(shù),彈性模量的增加對有效作用范圍的影響更為明顯。彈性模量越大,儲層剛性越大,因而相同地應(yīng)力下、相同作業(yè)次數(shù)下的破裂半徑及破裂面積越大。作業(yè)次數(shù)較少時,彈性模量對破裂范圍的影響較大;作業(yè)次數(shù)增加后,沖擊波對儲層的巖石力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響,如表1所示。

隨著作業(yè)次數(shù)增加,彈性模型變小,使彈性模量對破裂范圍的影響減小。一方面作業(yè)次數(shù)增加會增大破裂面積,另一方面作業(yè)次數(shù)增加會減小彈性模量及破裂面積,應(yīng)優(yōu)化合理的作業(yè)次數(shù)取得最佳破裂效果。油水井實(shí)際生產(chǎn)時,彈性模量并非一成不變,而是隨著含水飽和度、圍壓、孔隙壓力等參數(shù)變化,所以從彈性模量的對致裂效果影響角度考慮,上述參數(shù)應(yīng)成為沖擊波作業(yè)選井的必要條件。

圖5 彈性模量與有效作用距離關(guān)系

表1 沖擊波對儲層力學(xué)參數(shù)影響

4 結(jié) 論

(1)沖擊波作用下的致裂范圍與儲能、地應(yīng)力條件、作業(yè)次數(shù)及巖石彈性模量密切相關(guān)，影響程度由大到小依次為儲能、作業(yè)次數(shù)、地應(yīng)力、彈性模量。

(2)儲能越大,重復(fù)脈沖有效作用距離越大,作業(yè)效果越好;地應(yīng)力越大,致裂范圍越小;作業(yè)次數(shù)越多,致裂范圍越大;砂巖層彈性模量越大,致裂范圍越大。

(3)作業(yè)次數(shù)增加對作業(yè)效果有正反兩方面影響。一方面會提高作業(yè)效果,但是另一方面會使儲層軟化降低作業(yè)效果,對于沖擊波作業(yè)存在一個合理的作業(yè)次數(shù)。

(4)隨著地應(yīng)力減小和彈性模量增加,有效作用距離增大,因而重復(fù)脈沖技術(shù)對地應(yīng)力小和彈性模量大的儲層作用效果好。含水飽和度、圍壓、孔隙壓力等參數(shù)會影響彈性模量,因而沖擊波作業(yè)選井時也應(yīng)考慮上述參數(shù)。

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(編輯 李志芬)

Numerical simulation study on parameters impacting effective influence distance of pulse shock waves for well stimulation

SUI Yiyong1, ZHANG Yongmin2, LI Jiaqiang3, QU Yongchun4, REN Guishan5

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.SchoolofElectricEngineeringinXianJiaotongUniversity,Xian710049,China;3.SananIndustrialCompany,DaqingTrlumphGroup,Daqing163414,China;4.LoggingandTestingTechnologyServiceCompany,DaqingOilfield,Daqing163453,China;5.ResearchInstituteofOilProductionTechnology,DagangOilfield,Tianjin300280,China)

Numerical simulation was conducted to analyze the influence of energy storage, operation frequency, elastic modulus, and stress in rocks on effective repeated pulse shock waves for well stimulation. The simulation results show that, in the case with low energy storage, only plug removal can be achieved with no reservoir fracturing, while in the case with high energy storage, micro fractures can be generated that can induce reservoir fracturing and increase the formation permeability. With the increase of the number of operations, the effective influence distance of the shock wave can be increased continuously to a maximum value. After that, it remains constant. The rock stress has a great effect on the performance of the shock wave. With the increase of the rock stress, the effective distance of the shock wave decreases logarithmically, and when the rock stress is low and the elastic modulus is high, the effective distance increases as the number of operations increases. When the rock stress is high, the operation frequency and elastic modulus have little effect on the effective distance. The repeated strong shock wave can enhance plugging removal and increase production or injection of wells for the reservoir with large elastic modulus and low rock stress. In practical applications, the operation frequency can be optimized based on specific reservoir conditions.

pulse shock wave; rock stress; effective influence distance; plug removal; numerical simulation

2016-04-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574271);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(15CX02007A)

隋義勇 (1975-),男,講師,博士,研究方向?yàn)椴捎凸こ汤碚撆c技術(shù)。E-mail:suiyy@126.com。

1673-5005(2016)05-0118-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.05.014

TE 319

:A

隋義勇,張永民,李加強(qiáng),等.脈沖沖擊波有效作用距離影響因素模擬分析[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(5):118-122.

SUI Yiyong, ZHANG Yongmin, LI Jiaqiang, et al. Numerical simulation study on parameters impacting effective influence distance of pulse shock waves for well stimulation[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(5):118-122.